СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ШИРОТ Российский патент 2008 года по МПК F03D9/02 

Область применения

Изобретение откосится к системам жизнеобеспечения, а более точно к системам жизнеобеспечения в условиях низких широт, и может найти применение при освоении пустынных и засушливых земель в регионах с высокой солнечной радиацией.

Предшествующий уровень техники

При решении проблем освоения пустынных земель в условиях повышенной солнечной радиации основными проблемами является обеспечение электроэнергией и водой. Поскольку источники энергии, использующие традиционное углеводородное топливо, требуют постоянного снабжения дорогостоящим топливом и загрязняют окружающую среду, в настоящее время особое внимание уделяется использованию в качестве источников энергии так называемой альтернативной или возобновляемой энергии.

Известны энергосистемы, вырабатываемые установками на экологически чистых возобновляемых источниках энергии (ветра, солнца и т.д.). Однако нестабильность потока энергии в источнике (изменение силы ветра, климатические и сезонные колебания потока световой энергии) создают проблемы обеспечения качества подаваемой потребителю энергии. Для сглаживания колебаний генерируемой мощности, вызванных нестабильностью потока энергии в источнике, и согласования ее с режимом электропотребления, используются аккумуляторы энергии.

Известна автономная энергетическая установка на возобновляемом источнике энергии, включающая преобразователь энергии возобновляемого источника в электрическую, электроаккумуляторную батарею, тепловой аккумулятор, электротехническое устройство для перераспределения энергии между электрической аккумуляторной батарей и тепловым аккумулятором (патент РФ №2095913 "Способ работы автономной энергетической установки на возобновляемом источнике энергии"). К признакам, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, относятся: преобразователь энергии возобновляемого источника в электрическую, электроаккумуляторная батарея, тепловой аккумулятор.

Недостатком данной системы является недостаточная эффективность установки, связанная с наличием потерь энергии при двойном ее преобразовании: энергии возобновляемого источника - в электрическую энергию, электрической энергии - в тепловую энергию.

Известно устройство для автономного электро- и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей, которое содержит работающий на газе термоэлектрогенератор; ветроэлектрический агрегат; электрический аккумулятор; установку для преобразования солнечной энергии в теплоту; аккумулятор теплоты. Ветроэлектрический агрегат соединен через автоматическое переключающее устройство с термоэлектрогенератором и с электрическим аккумулятором, соединенным с потребителем электрической энергии. Солнечная установка соединена с термоэлектрогенератором и аккумулятором теплоты, причем аккумулятор теплоты соединен с потребителем теплоты (патент РФ №2182986 "Способ автономного электроснабжения и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей и устройство для его осуществления"). К признакам аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемого изобретения, относится: ветроэлектрический агрегат, соединенный с потребителем электрической энергии; установка для преобразования солнечной энергии, тепловой аккумулятор; электрический аккумулятор, соединенный с ветроэлектрическим агрегатом и потребителями электроэнергии.

Такая установка может использоваться в условиях средних широт.

Однако необходимость использования газа в качестве одного из основных источников энергии делает работу известного устройства зависимым от наличия данного вида топливного ресурса, создает проблемы с его доставкой, хранением и загрязнением окружающей среды. Недостатком устройства является также неэффективное использование анергии, поскольку отсутствует утилизация энергии так называемой "отбросной" теплоты, и неиспользование теплоты окружающей среды и Земли, что снижает его экономичность.

Известна система автономного электро- и теплоснабжения жилых и производственных помещений (патент РФ №2249125). Система включает ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии, связанную с потребителями электрической энергии. С ветрогенераторной установкой и потребителями электрической энергии электрически связан аккумулятор электрической энергии. Система включает также преобразователь солнечной энергии в тепловую (солнечный коллектор) и тепловой аккумулятор, связанные с потребителями тепловой энергии, и дополнительно содержит работающий от ветрогенераторной установки тепловой насос, связанный с потребителями тепловой энергии. Аккумулятор электрической энергии подключен к потребителям электроэнергии через инвертор. Система включает утилизатор теплоты сточных вод и коллектор тепла Земли, и автоматическую систему управления системой автономного энергоснабжения, соединенную через датчики тепловой и электрической нагрузок с исполнительными механизмами. Для преобразования солнечной энергии в тепловую в систему включен блок солнечных коллекторов. Тепловой насос содержит работающий от ветрогенераторной установки компрессор, по меньшей мере, два выносных испарителя, один из которых встроен в теплообменный аппарат, связанный по теплоносителю с коллектором тепла Земли, а другой выносной испаритель встроен в утилизатор теплоты сточных вод, и, по меньшей мере, два выносных конденсатора, один из которых встроен в бак горячей воды, а второй выносной конденсатор встроен в теплообменный аппарат, связанный по теплоносителю с потребителями тепловой энергии.

Система работает следующим образом. Ветрогенераторная установка вырабатывает электрический ток, являясь основным источником электроэнергии для обеспечения работы системы отопления, горячего и холодного водоснабжения, а также питания бытовых приборов. Бесперебойность питания обеспечивается за счет использования аккумуляторной батареи. Управление системой энергоснабжения осуществляется автоматической системой управления через датчик-регулятор, обеспечивающий контроль состояния аккумуляторных батарей и регулирование электроснабжения системы. В случае разряда аккумуляторных батарей регулятор обеспечивает подачу электроэнергии на подзарядку аккумуляторной батареи. В случае недостатка вырабатываемой энергии (например, при слабом ветре) регулятор обеспечивает подачу в сеть потребителей недостающей энергии от аккумуляторной батареи через инвертор, преобразующий постоянное напряжение аккумуляторной батареи в переменное. Основным источником тепла является установка для преобразования солнечной энергии в тепловую, представляющая собой солнечные коллекторы. Теплоноситель, например, антифриз, нагреваемый в солнечных коллекторах, передает теплоту через теплообменник теплоносителю в тепловом аккумуляторе. Циркуляцию теплоносителя в контуре установки для преобразования солнечной энергии в тепловую осуществляет насос. В зависимости от показаний датчиков температуры наружного воздуха и датчика температуры теплоносителя в тепловом аккумуляторе АСУ выбирает необходимый режим работы насоса и подает соответствующие управляющие сигналы на исполнительные механизмы системы. Избыточное тепло сбрасывается в грунт. Дополнительными источниками тепловой энергии при работающем ветрогенераторе является тепловой насос, осуществляющий также, в случае необходимости, догрев теплоносителя, подаваемого в сеть потребителей тепловой энергии. Для эффективного использования тепловой энергии теплоноситель из обратного коллектора может подаваться на вход системы, что позволяет экономно расходовать тепловую энергию теплового аккумулятора. Работу системы горячего водоснабжения также обеспечивает тепловой насос. Днем при включении теплового насоса источником тепла становится солнечный коллектор, что существенно повышает эффективность процесса приготовления горячей воды. Дополнительным источником тепла при производстве горячей воды является утилизатор тепла сточных вод. До сброса в канализацию сточная вода попадает в утилизатор, где происходит отбор тепла испарителем теплового насоса и его возврат через конденсатор в бак горячей воды. Управление системой энергоснабжения полностью автоматизировано. Автоматическая система управления работает на базе ЭВМ с соответствующим программным обеспечением. На вход системы подаются сигналы от датчиков.

Эта система обеспечивает надежное и экономичное энерго- и теплоснабжение зданий и сооружений при хороших экологических характеристиках.

Однако такая установка не является автономной, она предполагает наличие источника пресной воды, или ее регулярную доставку и неэффективна на пустынных засушливых неосвоенных территориях. Кроме того, в условиях жаркого климата потребность в тепловой энергии снижается, но появляется потребность в охлаждении воздуха во внутреннем жилом или рабочем пространстве, что известная описанная выше система не обеспечивает.

Сущность изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание системы автономного жизнеобеспечения в пустынных районах мира с жарким климатом.

Поставленная задача решается тем, что система автономного жизнеобеспечения (САЖ) жилых и производственных помещений в условиях низких широт содержит систему автономного питания, включающую ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии, связанную с потребителями электрической энергии; автоматическую систему управления (АСУ) САЖ, аккумулятор электрической энергии, связанный с ветрогенераторной установкой и потребителями электрической энергии, преобразователь электрической энергии, накопитель для горячей воды, связанный с потребителями, тепловой насос с выносными конденсаторами и выносными испарителями, циркуляционный насос, датчики температуры воздуха и воды, в соответствии с изобретением система автономного питания дополнительно включает фотоэлектрические панели, электрически связанные с указанным аккумулятором электрической энергии, а САЖ дополнительно содержит систему очистки бытовых стоков, а также снабжена системой климат-контроля, включающей приточный вентилятор, установленный в воздуховоде наружного воздуха, рекуператор для теплообмена между поступающим наружным и удаляемым из помещения воздухом, контур охлаждения подаваемого воздуха, тепловой насос и хладоаккумулятор, при этом выносной испаритель теплового насоса и один теплообменник контура охлаждения размещены внутри хладоаккумулятора, второй теплообменник указанного контура охлаждения размещен внутри воздуховода подаваемого в помещение воздуха; системой водоснабжения, включающей водопровод природной воды, снабженный нагнетательным насосом и нагревателем природной воды, сообщающимся с солнечной опреснительной установкой, подключенный к водопроводу параллельно с солнечной опреснительной установкой электрический дистиллятор, при этом указанная солнечная опреснительная установка и указанный дистиллятор сообщаются с накопителем пресной воды, а нагреватель природной воды выполнен в виде части конденсатора теплового насоса; системой горячего водоснабжения, включающей нагревательный контур с нагревателем, выполненным в виде части конденсатора теплового насоса, сообщающийся с накопителем горячей воды, в свою очередь сообщающимся с накопителем пресной воды через насосную станцию.

Основным источником электроэнергии в предлагаемой САЖ является ветрогенератор, но, поскольку сила ветра является величиной непостоянной, в условиях низких широт при высокой активности солнечного излучения использование фотоэлектрических панелей позволяет повысить мощность энергосети и надежность всей энергосистемы. Наличие системы климат-контроля обеспечивает комфортную температуру в жилых помещениях.

Использование рекуператора в системе климат-контроля позволяет охлаждать входящий наружный воздух, утилизируя холодовую энергию удаляемого из помещения воздуха. Основой системы охлаждения является тепловой насос (абсорбционный холодильник) с выносными испарителем и конденсаторами.

Поскольку испаритель холодильника размещен внутри хладоаккумулятора, а при достаточной мощности в электросети жидкость (обычно вода) в хладоаккумуляторе охлаждается вплоть до замерзания, это позволяет использовать скрытую теплоту фазового перехода (вода-лед).

Благодаря выполнению теплового насоса с выносными конденсаторами, последние служат для подогрева пресной и природной воды, одновременно обеспечивая охлаждение конденсаторов и тем самым поддержание рабочего режима работы холодильника. Размещение одного из конденсаторов в воздуховоде удаляемого из помещения воздуха обеспечивает охлаждение выносного конденсатора и тем самым повышает также надежность работы теплового насоса. Использование контура охлаждения с двумя теплообменниками, один из которых размещен в хладоаккумуляторе, а второй в воздуховоде подаваемого в помещение воздуха, позволяет эффективно охлаждать воздух.

Таким образом, система позволяет эффективно использовать как холодовую, так и тепловую энергию холодильника, а использование в системе климат-контроля хладоаккумулятора позволяет сгладить нерегулярность поступления энергии от возобновляемых источников и обеспечить бесперебойность работы системы кондиционирования.

Известно, что в пустынных районах с жарким климатом большинство источников воды дают соленую воду, часто непригодную для питья. Благодаря наличию системы водоснабжения в САЖ решается задача снабжения жителей пресной водой. Природная вода, подогретая в нагревателе, представляющем собой часть конденсатора теплового насоса, поступает в солнечную опреснительную установку и/или на электрический дистиллятор, причем оба опреснительных устройства подключены к водопроводу параллельно. Использование обоих устройств обеспечивает экономичность благодаря использованию солнечной энергии и надежность благодаря использованию дополнительного (резервного) электродистиллятора. Опресненная вода поступает в накопитель, связанный с потребителями.

В системе горячего водоснабжения используют пресную воду из накопителя, откуда она с помощью насосной станции подается в емкость для горячей воды, связанную с потребителями. Вода нагревается при прохождении через нагревательный контур, в котором в качестве нагревателя использован конденсатор теплового насоса. При этом, как уже указывалось выше, обеспечивается охлаждение конденсаторов и тем самым поддержание рабочего режима работы холодильника.

Авторам известны системы энергоснабжения, использующие возобновляемые источники энергии. Однако они представляют собой, как правило, очень дорогостоящие системы, требующие постоянства природных условий (ветра, солнечного излучения, источников воды). Они предназначены для использования только как дополнение к централизованному снабжению энерго-, тепло-, гидроресурсами и не являются автономными. Известные авторам системы, использующие возобновляемые источники энергии, снабжены средствами для накопления в том или ином виде выработанной энергии (аккумуляторы для накопления электроэнергии, тепловые накопители для накопления тепловой энергии и т.п.), однако при избытке вырабатываемой (получаемой) энергии излишки просто сбрасываются в окружающую среду. Следствием является не только малоэффективная работа таких установок, но и загрязнение окружающей среды. Авторам неизвестны системы с высокой степенью автономности, эффективно использующие выработанную энергию и обеспечивающие создание комфортных условий для человека при высоких экологических показателях, предназначенные для районов с жарким засушливым климатом.

Ниже изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема системы автономного жизнеобеспечения, выполненная в соответствии с изобретением.

Наилучший вариант осуществление изобретения

Как видно из чертежа, САЖ включает источники электроэнергии: ветрогенератор 1 и фотоэлектрические панели 2. Ветрогенератор 1 и фотоэлектрические панели 2 электрически соединены с аккумуляторной батареей 3 через сетевой регулятор 4. Переменный ток ветрогенератора 1 через сетевой регулятор 4 и распределительное устройство 5 поступает потребителям электроэнергии. К источникам электроэнергии через инвертор 6 подсоединена автоматизированная система управления 7, представляющая собой мощный компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. Система климат-контроля включает приточный вентилятор 8, установленный в воздуховоде наружного воздуха, рекуператор 9 для теплообмена между поступающим наружным и удаляемым из помещения воздухом и контур охлаждения подаваемого воздуха. Для охлаждения использован тепловой насос 10, электрически связанный с источником электроэнергии. Тепловой насос 10 выполнен с выносным испарителем 11 и выносными конденсаторами 12, 13 и 14. Испаритель 11 размещен внутри хладоаккумулятора 15. Хладоаккумулятор 15 выполнен в виде теплоизолированной емкости, наполненной водой. В качестве хладагента могут быть использованы и другие агенты, однако вода является наиболее доступной и эффективной. Внутри хладоаккумулятора 15 размещен также один теплообменник 16 контура охлаждения, второй теплообменник 17 контура охлаждения размещен внутри воздуховода подаваемого в помещение охлажденного воздуха. Система водоснабжения включает водопровод природной воды, снабженный нагнетательным насосом 18 и нагревателем 19, в котором в качестве нагревательного элемента установлена часть конденсатора 12 теплового насоса 10 для нагрева природной воды. Нагреватель 19 сообщается с солнечной опреснительной установкой 20. Параллельно с солнечной опреснительной установкой 20 к водопроводу подключен электрический дистиллятор 21. Солнечная опреснительная установка 20 и дистиллятор 21 сообщаются с накопителем 22 пресной воды. Система горячего водоснабжения включает накопитель горячей воды 23, сообщающийся через насосную станцию 24 с накопителем 22 пресной воды, и включает нагревательный контур с нагревателем 25, в котором в качестве нагревательного элемента установлена часть конденсатора 13 теплового насоса 10. В состав заявляемой САЖ входит система биологической очистки бытовых стоков. Система работает следующим образом. Электроэнергия от ветрогенератора 1 и фотоэлектрических панелей 2 поступает на сетевой регулятор 4; постоянный ток фотоэлектрических панелей 2 идет на подзарядку электроаккумулятора 3, а переменный ток ветрогенератора 1 через распределительное устройство 5 поступает к потребителям. Аккумуляторная батарея 3 и инвертор 6 обеспечивают бесперебойное питание в системе. Основой системы кондиционирования является приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией. Вентилятором 8 теплый наружный воздух подается в рекуператор 9, где происходит теплообмен с удаляемым из помещения воздухом, а удаляемый из помещения воздух омывает и охлаждает установленный в вохдуховоде удаляемого воздуха конденсатор 14 холодильника 10. Покинув рекуператор 9, свежий охлажденный воздух поступает в дом. Температура поступающего воздуха определяется термодатчиком 25, сравнивается с заданной температурой воздуха внутри помещения, и, в зависимости от результата, АСУ 7 принимает решение включать или нет систему охлаждения. При включении теплового насоса 10 вода в хладоаккумуляторе 15 начинает охлаждаться вплоть до замерзания, что позволяет использовать скрытую теплоту фазового перехода вода-лед. Если приточный воздух требует охлаждения, включается циркуляционный насос 26 контура охлаждения. Размещенный внутри воздуховода теплообменник 17 отбирает тепло из поступающего воздуха. Тепло через теплообменник 16 поступает в хладоаккумулятор 15. Производительность контура охлаждения регулируется управляемым клапаном 27. Использование хладоаккумулятора в системе охлаждения позволяет сгладить нерегулярность поступления энергии от возобновляемых источников и обеспечить бесперебойность работы системы кондиционирования. Основным источником пресной воды в данной САЖ является солнечная опреснительная установка 20. Как только солнечные лучи попадут на рабочую поверхность опреснителя, АСУ 7 открывает управляемый клапан 28 и включает нагнетательный насос 18. Природная вода начинает поступать на опреснительную установку 20 через нагреватель 19, который, путем предварительного нагрева природной воды, повышает эффективность процесса опреснения. Нагревательным элементом в нагревателе 19 служит часть конденсатора 12 теплового насоса 10. Получаемый дистиллят поступает в накопительную емкость 22, откуда через автоматическую насосную станцию 24 под давлением подается на внутренний водопровод и систему горячего водоснабжения. Объем накопительной емкости 22 зависит от числа потребителей. Дополнительным и резервным источником пресной воды служит электрический дистиллятор 21. Если энергосистема вырабатывает излишки электроэнергии, АСУ 7 открывает управляемый клапан 29 и подает питание на дистиллятор 21. Вырабатываемый дистиллят также попадает в накопительную емкость 22. Проведенные авторами исследования показали, что, при исходной температуре природной воды от 5 до 20°С (в зависимости от источника), использование сбросного тепла теплового насоса позволяет повысить температуру воды до 60°С, что не только существенно повышает производительность опреснительной установки, но и обеспечивает поддержание нормального режима работы теплового насоса. Пресная вода из накопителя 22 подается в емкость 23 для горячей воды под давлением насосной станции 24. АСУ 7 запускает циркуляционный насос 30, установленный в нагревательном контуре, в том случае, если температура в емкости 23 не соответствует требуемой. Для контроля температуры в емкости 23 установлен термодатчик 31. Для нагрева вода проходит через нагреватель 25, где происходит ее догрев до нужной температуры с помощью конденсатора 13 теплового насоса 10. Контур нагрева запускается только при работающем тепловом насосе 10. В состав САЖ входит система 32 биологической очистки бытовых стоков, которая автоматически регулирует режим работы в соответствии с объемом стоков. В настоящее время существует целый ряд подобных установок, обеспечивающих степень очистки порядка 95%, при этом очищенная вода может быть использована для полива, а полученный в процессе переработки бытовых стоков ил - в качестве удобрения. В состав системы биологической очистки входит компостирующий биореактор 33, в котором твердые органические отходы превращаются в гумус.

Промышленная применимость

Заявляемая система жизнеобеспечения позволяет создать комфортные условия для человека в районах с жарким засушливым климатом, в условиях недостатка или отсутствия пресной воды. При этом система обладает высокими экологическими характеристиками. Заявленная система жизнеобеспечения может быть изготовлена на базе существующих приборов и комплектующих.

Изобретение относится к системам жизнеобеспечения, а более точно к системам жизнеобеспечения в условиях низких широт, и может найти применение при освоении пустынных и засушливых земель в регионах с высокой солнечной радиацией. Система автономного жизнеобеспечения (САЖ) в условиях низких широт содержит систему автономного питания, включающую ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии, связанную с потребителями электрической энергии. САЖ содержит автоматическую систему управления (АСУ) САЖ, аккумулятор электрической энергии, связанный с ветрогенераторной установкой и потребителями электрической энергии, преобразователь электрической энергии, накопитель горячей воды, связанный с потребителями, тепловой насос с выносными конденсаторами и выносными испарителями, циркуляционный насос, датчики температуры воздуха и воды. Система автономного питания включает фотоэлектрические панели, электрически связанные с аккумулятором электрической энергии. САЖ содержит систему очистки бытовых стоков, систему климат-контроля, включающую приточный вентилятор, рекуператор, контур охлаждения подаваемого воздуха, хладоаккумулятор. САЖ содержит систему водоснабжения, включающую накопитель пресной воды, солнечную опреснительную установку и электрический дистиллятор. САЖ снабжена системой горячего водоснабжения, включающей нагревательный контур с нагревателем. Техническим результатом является создание САЖ в пустынных районах мира с жарким климатом. 1 ил.

Система автономного жизнеобеспечения (САЖ) в условиях низких широт, содержащая систему автономного питания, включающую ветрогенераторную установку для выработки электроэнергии, связанную с потребителями электрической энергии; автоматическую систему управления (АСУ) САЖ, аккумулятор электрической энергии, связанный с ветрогенераторной установкой и потребителями электрической энергии, преобразователь электрической энергии, накопитель горячей воды, связанный с потребителями, тепловой насос с выносными конденсаторами и выносными испарителями, циркуляционный насос, датчики температуры воздуха и воды, отличающаяся тем, что система автономного питания дополнительно включает фотоэлектрические панели, электрически связанные с указанным аккумулятором электрической энергии, а САЖ дополнительно содержит систему очистки бытовых стоков, а также снабжена системой климат-контроля, включающей приточный вентилятор, установленный в воздуховоде наружного воздуха, рекуператор для теплообмена между поступающим наружным и удаляемым из помещения воздухом, контур охлаждения подаваемого воздуха, хладоаккумулятор, причем выносной испаритель указанного теплового насоса и один теплообменник контура охлаждения размещены внутри хладоаккумулятора, а второй теплообменник указанного контура охлаждения размещен внутри воздуховода подаваемого в помещение воздуха; системой водоснабжения, включающей накопитель пресной воды, связанный с потребителями, водопровод природной воды, снабженный нагнетательным насосом и нагревателем природной воды, солнечную опреснительную установку и электрический дистиллятор, подключенные к водопроводу параллельно после нагревателя, при этом указанная солнечная опреснительная установка и указанный дистиллятор сообщаются с указанным накопителем пресной воды, а нагреватель природной воды выполнен в виде части конденсатора теплового насоса; системой горячего водоснабжения, включающей нагревательный контур с нагревателем, выполненным в виде части конденсатора теплового насоса, сообщающийся с накопителем горячей воды, в свою очередь сообщающимся с накопителем пресной воды через насосную станцию.